农用灌溉喷头内流道网格生成与CFD分析.doc

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1、农用灌溉喷头内流道网格生成与CFD分析严海军，时晓燕，吕娟妃，余芬芬，欧阳俊（中国农业大学水利与土木工程学院，北京，100083）摘要:本文应用计算流体动力学CFD软件对农用灌溉喷头进行了水力特性的数值模拟，得到喷头内流道的流场分布及变化规律，预测了喷头流量压力关系，同时将计算值与试验值进行了比较。研究了喷头内流道计算域的网格生成方法，分析了四种网格划分方案对计算结果的影响。分析了CFD方法在预测喷头水力性能方面的优势，以及导致计算结果存在一定偏差的主要原因。关键词:喷头，水力特性，计算流体动力学，数值模拟，网格GridGenerationand

2、CFDAnalysisforInternalFlowPassageofAgriculturalSprinklerYanHaijun,ShiXiaoyan,LvJuanfei(CollegeofWaterConversancyandCivilEngineering,ChinaAgricultrualUniversity.Beijing,100083)Abstract:NumericalsimulationsonhydraulicperformancesofagriculturalsprinkerusingCFDapproachwerecarried

3、outinthispaper.Thedistributionandchangeoftheflowfieldsinsidesprinklerwereobtainedandtherelationshipbetweenflowratesandinletpressuresofspinklerwasalsopredicted.Thecomparisonofsimulatedresultswithexperimentaldatawasmade.Inaddition,thegridgenerationapproachessuitablefortheintern

4、alflowpassageofsprinklerwerestudiedandtheinfluenceofdifferentgridsonthecalculatedaccuracywasdiscussed.Finally,themainreasonscontributingtothecalculatederrorwerepresented.Keywords:agriculturalsprinkler,hydraulicperformances,CFD,numericalsimulation,grid1引言基金项目：国家自然科学基金资助项目（5050

5、9024）中国农业大学科研启动基金资助项目（2005031）喷头是农业灌溉系统中最重要的部件之一。目前国内外应用最广泛的农用灌溉喷头是摇臂式喷头[1]。过去，受试验测试技术与设备的限制，喷头试验仅局限于外特性和强度试验，而且以测试喷头喷洒性能为主。近年来，随着计算机软硬件的快速发展，数值模拟技术和CFD优化技术已成为改进和优化喷头设计的一个重要手段，既可以节约大量试验经费，而且大大缩短了科研周期[2][3]。网格是CFD模拟与分析的载体，对于具有圆形截面、复杂几何形状的喷头计算域，通常难以生成各处贴体且正交性好的单块网格[4]。本文将应用多块网格

6、生成技术，对喷头内流道划分成四种不同网格，并分别进行内流道三维数值计算，以预测喷头喷洒流量与进口工作压力关系，并与试验结果进行比较。2喷头几何模型与网格生成2.1喷头几何模型一般喷头的内流道由空心轴、喷体（弯头）、喷管和喷嘴组成，通常低压喷头的喷体与喷管合成整体，各部分组成见图1（a）。四部分的截面都呈圆形，空心轴和喷体的各截面等径，而喷管沿水流方向呈渐缩变化。喷嘴部分较复杂，又可以分成三部分，前段呈渐缩形，中间圆柱段很窄，后段呈45°扩散角，详见图1（b）。本文研究对象是PY140摇臂式喷头，喷头进口直径40mm，喷体仰角30°，喷嘴进口28m

7、m，喷嘴中间圆柱段直径14mm，扩散倒角45°。ⅢⅠⅡⅣ,Ⅴ,Ⅵ空心轴喷体喷管喷嘴出口进口（a）内流道各部分（b）喷嘴部分图1喷头几何模型图2喷头计算域网格组成2.2网格生成网格分为结构网格和非结构网格两大类。对于截面呈圆形的喷头内流道计算域，无法直接生成结构网格，但可以生成多块结构网格、非结构网格或混合网格。根据水流在喷头内流道的流动方向，按横截面直径由大到小的变化特点，将内流道计算域依次划分成六部分，而且网格间隔随截面积直径减小而逐渐变小，以提高网格密度、适应水流速度梯度的变化。喷头计算域的六部分网格组成见图2。同一计算子区域内的网格生成方法

8、是相同的，本文尝试了四种计算子区域的网格划分方法，其结果见图3。其中图3（a）是应用分块技术生成的多块结构网格，在相同网格间隔下，其网格